可以看到，標(biāo)簽接收到的功率主要和距離與載波頻率相關(guān)，隨距離的增大迅速減小，隨頻率的增加而減小。PreaderRreader也稱為EIRP，即等效全向發(fā)射功率。它受到國際標(biāo)準(zhǔn)約束，通常在27~36dBm左右。例如，按照北美標(biāo)準(zhǔn)，讀寫器等效發(fā)射功率EIRP應(yīng)小于4W，即36dBm。在自由空間中，915MHz的信號在4m處衰減為43.74dB。假設(shè)標(biāo)簽天線增益為1.5dBi，則在4m處無源射頻標(biāo)簽可能獲得的最大功率只有約-6.24dBm，238W。利用標(biāo)準(zhǔn)的偶極子天線，在915MHz天線端能夠獲得的電壓約200mV。在如此低的輸入信號幅度下，采用普通全波或半波整流電路無法獲得所需的直流電壓，因此需要采用倍壓結(jié)構(gòu)的電源恢復(fù)電路。

倍壓結(jié)構(gòu)的電源恢復(fù)電路如圖1所示。圖中的二極管在實際應(yīng)用時通常用MOS管替代。輸入正弦交流信號RFin=VAsint。在RFin負半周期時，M0導(dǎo)通，C1充電。C1兩端能夠獲得的最大電壓為VA-Vd，其中，Vd為MOS管M0兩端的電壓降。

RFin正半周期時，節(jié)點1的最大電壓為VA+(VA-Vd)。該電壓使得M1導(dǎo)通，C2充電，直到C2兩端達到最大電壓，即節(jié)點2的最大電壓，為VA+(VA-Vd)-Vd=2(VA-Vd)。依次類推，C3兩端能夠獲得的最大電壓為3(VA-Vd)，節(jié)點4的最大電壓為4(VA-Vd)。節(jié)點2N的最大電壓為2N(VA-Vd)。于是，對于2N級電路，輸出直流電壓為：

考慮輸出負載的情況。假設(shè)負載抽取電流為Iout，輸入交流信號頻率為fsig，所有電容值都為C，則輸出電壓降低2NIout/Cfsig。于是，考慮輸出負載情況下的輸出電壓為：

穩(wěn)壓

在4W等效發(fā)射功率下，距讀寫器20cm處，采用增益1.5dBi的接收天線，標(biāo)簽接收到的最大功率達到95.5mW，超過標(biāo)簽在4m處接收到最大功率的400倍。為了保證標(biāo)簽在近場和遠場都能夠可靠工作，需要有效的穩(wěn)壓電路使得標(biāo)簽在近場能夠保持電壓不超過正常工作電壓范圍。

通常的并聯(lián)式穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)Vout大于穩(wěn)壓電路開啟閾值時，穩(wěn)壓電路內(nèi)的瀉流管Mp開啟，從瀉流管瀉放電流，使電壓降低。

解調(diào)

本文提出的射頻接口是針對滿足ANSNCITS2561999射頻標(biāo)簽協(xié)議的標(biāo)簽芯片設(shè)計的。根據(jù)ANSNCITS2561999射頻標(biāo)簽協(xié)議規(guī)范，讀寫器到標(biāo)簽的信號為OnOffKey(OOK)調(diào)制信號。

因此，解調(diào)電路可采用二極管包絡(luò)檢波解調(diào)實現(xiàn)。

設(shè)計實現(xiàn)

電源恢復(fù)電路

根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，要在915MHz信號輸入幅度200mV，負載電流20A時獲得大于2V的直流電壓。則根據(jù)(3)式，可得N > 5。因此，所需倍壓電路最低級數(shù)為12級?？紤]到MOS管導(dǎo)通壓降的損失和寄生效應(yīng)帶來的損失，電源恢復(fù)電路采用16級的倍壓電路結(jié)構(gòu)，利用零閾值NMOS管實現(xiàn)。倍壓式電源恢復(fù)電路的末端最后一個電容為儲能電容，取200pF。

穩(wěn)壓電路

根據(jù)設(shè)計協(xié)議要求，輸入信號為OOK信號在OOK信號的關(guān)斷時刻，由于圖2中瀉流管Mp無法瞬間關(guān)閉，于是繼續(xù)從儲能電容Cs上抽取電流，從而導(dǎo)致電源電壓Vout出現(xiàn)較大下脈沖凹陷。為解決該問題，將并聯(lián)穩(wěn)壓電路改進，如圖3所示。瀉流管Mo1和Mo2的電流抽取點從Vout端移至節(jié)點p。這樣，當(dāng)瀉流管開啟，OOK信號的關(guān)斷時刻到來時，由于二極管連接的MOS管M3、M4的反向截止作用，儲能電容Cs上的電荷不會從瀉流管上被抽取走，從而避免了瀉流管造成的電源電壓下脈沖凹陷的問題。穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓值設(shè)計在2.4V。

解調(diào)電路

解調(diào)電路如圖4所示。M1~M4為4級倍壓單元，起到檢波二極管的作用。由于并聯(lián)穩(wěn)壓電路的瀉流管無法瞬間關(guān)斷，因此，在OOK信號關(guān)斷時刻，瀉流管抽取電容C4上的電荷。電容C4取值較小，因此，p1點電平迅速下降，形成較大的下脈沖凹陷，經(jīng)過后級的整形電路，輸出標(biāo)準(zhǔn)的解調(diào)波形。

流片驗證

該射頻前端模塊作為超高頻長距離無源射頻標(biāo)簽芯片的一部分，在UMC0.18m混合信號工藝下設(shè)計實現(xiàn)，并流片驗證。芯片照片如圖5所示。

基于一種超高頻無源射頻標(biāo)簽的射頻接口電路設(shè)計

測試結(jié)果

電源恢復(fù)及穩(wěn)壓電路測試

利用8753ES網(wǎng)絡(luò)分析儀作為電源恢復(fù)電路激勵源;中心頻率設(shè)定在915MHz，掃頻寬度設(shè)定為1Hz，以此來近似輸出915MHz的單頻載波信號。

網(wǎng)絡(luò)分析儀測試端輸出功率從-8dBm到10dBm，按照步進0.5dBm，測試各功率點駐波比SWR和電源恢復(fù)電路電壓VDD。由于網(wǎng)絡(luò)分析儀功率輸出準(zhǔn)確度較低，因此，再利用功率計，測量每個測試輸出功率下網(wǎng)絡(luò)分析儀的實際輸出功率Ps。電源恢復(fù)電路的實際輸入功率為：

根據(jù)Pin和VDD，繪制出反映電源恢復(fù)電路性能的輸入輸出特性曲線，如圖6所示。

基于一種超高頻無源射頻標(biāo)簽的射頻接口電路設(shè)計

電路帶200k負載，300pF儲能電容。輸入功率229W時，電源電壓到達1.85V。穩(wěn)壓電路工作良好，電源電壓穩(wěn)定在2.3V。

解調(diào)電路測試

讀寫器發(fā)送1s脈寬的OOK調(diào)制信號。解調(diào)電路輸出波形如圖7所示。下脈沖上升時間較長是由于示波器探頭引入的16pF電容所致。